绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计

林永洪

宁夏中房实业集团有限公司

1 引言

根据绿色建筑理念对高层建筑的剪力墙结构实施优化设计，其核心在于在符合建筑使用功能与结构体系抗震性能前提下，尽可能减少材料消耗，以此减少整个结构体系施工实际碳排量。对于高层建筑，其结构性能会受到很多因素的影响与控制，如周期及周期比、振型有效系数和顶点位移等。为高层建筑的剪力墙结构实施以绿色建筑理念为基础的优化设计，能使优化以后得到的方案充分体现出绿色环保性、安全性及经济合理性。

2 绿色建筑以及剪力墙的概念含义

2.1 绿色建筑

建筑工程施工使用期限内，对资源进行最大限度的节约，例如土地资源、水资源、建筑材料等，对环境尽可能地保障以便最大限度地降低污染，为人们建造舒适、健康以及高效的建筑物，同时与自然和谐共处的建筑，即绿色建筑。绿色建筑能大大降低建筑施工对生态环境以及资源产生的干扰，尽可能地实现对自然资源的高效节约。其室内布置非常合理，合成材料使用的时候非常少，能对阳光进行全面利用，对能源进行节省，为居住人员营造一种与自然亲近的氛围。其主要目标在于实现人、建筑与自然环境和谐共处，在运用天然条件以及人工方式建造健康、良好的居住环境的基础上，对自然环境的破坏与使用要尽可能地控制和减少，全面呈现向大自然索取以及回报之间的平衡。以绿色环保为基础的建筑，不仅可以满足人们日益增长的住房需求，还可以实现与自然生态环境和谐相处的优越性。绿色环保理念已不再是要求将绿色植物过多的增添在人们生活环境中，而是对居住环境要求是无害化，而绿色建筑则完美地将生态友好和环境保护的概念推向了极致。为促进资源与环境的可持续发展，国家也花费了更多的时间以及精力，对绿色建筑行业的发展以及进步进行高度关注。

2.2 剪力墙

在建筑设计的过程中需要对整个工程的基础结构进行建设，保证这一建筑结构的平衡与稳固，这时剪力墙的设计应运而生。由于这一设计具有较强的支撑力，能够在一定程度上减缓强风，地震等对于建筑结构的影响。因此，在实践中的应用越来越多，建筑工程也就具备了更加稳定的特点，工程质量得以保证。此外，这一设计的应用，在实践中还能够帮助提高工程的施工速度，提高整个工程的施工效率。剪力墙结构是，用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。剪力墙在实践中的具体应用应当根据工程的不同特点与需求进行不同的设计，在实践中分为需要进行开洞的剪力墙与不需要进行开洞的剪力墙。对于前者而言，在实践中的应用需要符合几点条件：第一，墙体承受压力的能力强；第二，墙体稳定性能强。只有满足上述情况，才能在实践中应用剪力墙时不进行开洞设计。对于后者而言，在实践中的应用又分为不同的几种情况：第一，开口较小的设计；第二，进行多个开口设计并且规律分布的设计；第三，开口最大的设计。不同的设计需要通过具体的工程需求进行设计，在对工程与墙体所需求的承重压力进行平衡计算之后，判断需要进行何种设计。

3 实际案例研究

3.1 项目介绍

该工程位于银川市上海路北侧，天平街西侧，总用地面积54947m2，总建筑面积116696m2（包括地下室面积23286m2）。项目包括7层和9层多层住宅、11层小高层住宅、18层高层住宅、商业网点、社区办公用房、物管用房。地下一层为停车场，局部为设备用房。

（1）优化模型参数。

表1

（2）优化结构布置。按原设计计算模型，结构布置存在以下可调整之处：①原设计部分梁上线荷载输入值为9kN∕m，输入值偏大，增加结构自重；②部分楼板跨度较小，楼板厚度为110mm，楼板厚度偏大。例如走廊、卫生间、厨房等；③原设计小墙肢偏多，小墙肢均为边缘构件，配筋较多，且抗侧效率较低，不经济；④原设计首层至顶层的墙体厚度均为200mm，个别墙厚250mm，墙体厚度偏大。

优化后做法：①梁上线荷载为（12×0.2+20×0.015×2）×（3.0-0.4）=7.8kN∕m，有门窗处应根据实际情况进行修正；②建议短跨方向跨度小于3.5m的双向楼板、跨度小于3m的单向楼板厚度均调整为100mm；③调整墙体布置，提高墙体利用率，尽量取消小墙肢，减少边缘构件数量，减少钢筋；④除底部加强区及其上一层外，调整后混凝土整墙墙厚均为180mm，既减轻结构自重，又节约混凝土用量。

通过模型参数、结构布置、荷载取值对原设计模型进行了优化。

表2 为调整前后整体计算指标对比

（3）优化地基处理方案。该项目1#、3#、4#、9#、10#这5栋楼，各楼均为地上18层，地下一层。原设计基础底板厚度为1.0m，筏板自墙边外挑0.5m。

原设计1#、4#、10#楼采用CFG桩复合地基方案，桩径500mm，桩间距1.50m，三角形布桩，有效桩长为10m，单桩承载力特征值为480kN，复合地基承载力特征值为330kN，单个楼397根桩，合计1191根桩。

3#、9#楼采用级配砂石换填垫层地基方案，3#楼换填厚度为3.70m，9#楼换填厚度为1.70m～4.20m，每边外扩1∕2垫层厚度，压实系数为0.97，换填后承载力特征值为330kPa。

原设计1#、4#、10#楼采用CFG桩复合地基，3#、9#楼采用换填，原设计地基方案的造价高，工期长。

3.2 初步优化设计

基于绿色建筑理念对高层建筑剪力墙结构进行优化设计的过程中，因为设计关联的变量诸多，与此同时不同设计变量以及结构体系抗震性与高层建筑施工中的碳排量保持非常烦琐的相互关系，为此，通常要进行反复调整才能达到降低碳排量这一实际目标。在此基础上，就高层建筑剪力墙结构来说，需要在分析以及校核的同时进行综合和优先选择。在优化设计高层建筑中剪力墙结构数量以及布置形式后，能够在符合各项规范要求的前提下，对结构体系施工出现的碳排量进行减少，从而促使结构体系实现绿色，提升结构体系绿色度。基于绿色建筑理念，对高层建筑剪力墙结构进行优化设计过程中，需对适当的布局形式和数量先进行明确，其方式是：保持剪力墙刚度变化、楼梯间、电梯间等不变，适当减少结构内部部分剪力墙的实际长度。

3.3 二次优化设计

通过对原模型的优化使其成为新模型的这一过程中，只对高层建筑中剪力墙结构实施了布置形式与数量上的优化。在原模型中剪力墙结构布置形式与数量都保持不变的基础上，对标准层中剪力墙结构厚度进行改变，采用四个模型来计算和分析，这四个模型的剪力墙结构厚度分别为300mm、250mm、220mm和200mm，在这四个模型当中，以厚度为250mm的模型作为原模型。根据计算结果可以看出，伴随剪力墙结构厚度不断减小，剪力墙结构刚度不断减小，施工产生的碳排量也随之减少，而且结构抗震性能依然可以满足规范提出的要求。比如，相较于原模型，剪力墙结构厚度为200mm的模型，其碳排量进一步减少。可见，适当减小墙厚能起到减少剪力墙结构施工产生的碳排量的作用。

通过上述分析可以看出，完成对剪力墙结构体系具体布置形式及数量的优化以后，剪力墙依然有一定优化空间，因此应在新模型基础上实施二次优化，而对于二次优化的内容，以对剪力墙结构厚度和材料强度进行优化为主，具体方法为：基于规范确定的范围，减小内部与周边局部墙体，尤其是轴压比相对较小的墙肢的实际厚度，在这种情况下，采用SETWE软件进行建模计算能确定会导致局部墙肢实际轴压比超出限度及部分连梁超筋等设计问题。同时通过调节计算，确保结构体系抗震指标达到规范的要求。采用以上方法对新模型进行优化，可得到模型三。在模型三中，剪力墙布置形式和新模型基本相同，根据剪力墙结构厚度及其对结构施工产生的碳排量与性能造成的影响，其标准层剪力墙结构厚度以200mm为主，基于此，根据试算结果，对性能无法达到要求的墙肢与连梁应在材料方面予以加强，其中，混凝土材料的强度等级为C30和C40，受力筋为HPB400和HPB335。

通过以上分析可以看出，只对剪力墙结构布置形式与数量实施优化，能减少2.8%左右的碳排量；若只对剪力墙结构厚度实施优化，即将剪力墙结构厚度从250mm优化到200mm后，能使碳排量的减少程度从9.5%增加至15.0%左右。可见，每完成一步优化，都能减少一次碳排量。在剪力墙结构设计过程中需要考虑很多影响因素，首先，应满足建筑基本使用功能要求，其次，应满足现行技术规范提出的所有性能要求。由此可以看出，结构设计有很多不同的影响因素，实际工作十分烦琐，在这种情况下，为了给结构设计人员提供可靠参考，需要在绿色建筑理论基础上制定有效的高层建筑剪力墙结构优化设计途径。

4 结束语

土地资源不断缩小的现况和社会对于生态环保理念的高度重视，推动我国的建筑发展进一步朝着绿色的方向发展，剪力墙结构的优化设计也在中间发挥了突出的作用。在时代发展的大背景下，出于对建筑安全性的考虑，必须要将具有强度高而且轻便优势的剪力墙更广泛地应用到绿色建筑的实际施工过程中去。但是剪力墙的应用还存在诸多的缺陷，还需要进一步的探讨分析，只有这样才能更进一步地推动建筑行业的发展。